三維空間以外還有什么？物理學(xué)家利用電子制造“合成維度”

三維空間是我們熟悉的空間結(jié)構(gòu)。近日，有物理學(xué)家嘗試挑戰(zhàn)超過三維空間的空間界限。

萊斯大學(xué)（Rice University）的物理學(xué)家正在進行新的實驗，研究團隊已經(jīng)學(xué)會了如何精確地控制巨大的里德伯原子（Rydberg atoms）中的電子，他們可以創(chuàng)造一種"合成維度"，這是量子模擬的重要工具。

萊斯團隊開發(fā)了一種技術(shù)，通過應(yīng)用共振微波電場將許多狀態(tài)耦合在一起，來設(shè)計超冷鍶原子的里德伯態(tài)（Rydberg state）。當(dāng)原子中的一個電子在能量上被提升到一個高度興奮的狀態(tài)時，就會出現(xiàn)里德伯態(tài)，使其軌道變得超大，使原子比正常情況下大幾千倍。

超冷的里德伯原子比絕對零度高約百萬分之一。通過精確和靈活地操縱電子運動，萊斯量子計劃（Rice Quantum Initiative）的研究人員以模擬真實材料的方式將格子狀的里德伯級耦合起來。這些技術(shù)還可以幫助實現(xiàn)在真實三維空間中無法實現(xiàn)的系統(tǒng)，為量子研究創(chuàng)造一個強大的新平臺。 

里德伯原子擁有許多有規(guī)律間隔的量子能級，這些能級可以通過微波耦合，使高度激發(fā)的電子在能級之間移動。這個“合成維度”的動力學(xué)在數(shù)學(xué)上相當(dāng)于一個粒子在真實晶體的晶格點之間移動。

研究人員通過實現(xiàn)一個被稱為Su-Schrieffer-Heeger系統(tǒng)的一維晶格來證明他們的技術(shù)。為了制造它，他們用激光器冷卻鍶原子，并應(yīng)用具有交替的弱耦合和強耦合的微波來創(chuàng)造適當(dāng)?shù)暮铣删坝^。第二組激光器被用來將原子激發(fā)到耦合的、高位的里德伯態(tài)流形。

研究者稱，該實驗揭示了粒子如何在一維晶格中移動，或者在某些情況下被凍結(jié)在邊緣，即使它們有足夠的能量來移動。這與可以用拓撲結(jié)構(gòu)來描述的材料特性有關(guān)。

研究者稱，這個實驗結(jié)合了現(xiàn)在研究原子物理的實驗室中相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)。當(dāng)使用毫米波來耦合里德伯態(tài)時，更容易對耦合振幅進行控制。當(dāng)實現(xiàn)了一維晶格，所有的耦合都到位了，可以嘗試看看激發(fā)一個里德伯電子進入該合成空間會產(chǎn)生什么動力學(xué)。

題為Realizing topological edge states with Rydberg-atom synthetic dimensions的相關(guān)研究論文發(fā)表在《自然-通訊》上。

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論文原文：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28550-y

標(biāo)簽： 三維空間